高黏復合改性瀝青性能的影響因素分析

摘 要：文章為提高瀝青黏度，以高黏劑、SBS和蔗渣纖維對70號基質瀝青進行復合改性，采用三因素四水平正交試驗，以60 ℃動力黏度、彈性恢復、軟化點和135 ℃旋轉黏度作為評價指標，分析獲取最佳配比組合。結果表明：復合改性瀝青的最佳摻量組合為6%高黏劑+5%SBS+0.9%蔗渣纖維；對于60 ℃動力黏度、彈性恢復和軟化點，因素影響程度次序為SBS＞高黏劑＞蔗渣纖維，對于135 ℃旋轉黏度，因素影響程度次序為SBS＞蔗渣纖維＞高黏劑；根據最佳配比組合進行制備的復合改性瀝青各項指標滿足標準要求，具有實際應用價值。

關鍵詞：高黏劑；復合改性瀝青；正交試驗；灰色關聯法；性能優化

中圖分類號：U414.1

0"引言

我國交通基礎設施建設快速發展，伴隨著交通量的快速增長，使公路路面病害頻發，極大地降低了公路通行的安全性和舒適性。為了有效解決該問題，采用高黏、性能優異的瀝青進行修復，是當前可行的方式。高黏瀝青相較于傳統瀝青，更能保證集料之間良好的粘結性能，防止瀝青剝落和集料出現松散現象。

改善瀝青的黏度可以通過摻入纖維、高黏劑、橡膠粉、納米材料等。學者研究表明，SBS和TPS作為熱塑性彈性體，能夠吸收瀝青組分發生溶脹，在微觀層面能夠與瀝青交聯形成空間網狀結構，從而提高瀝青黏度［1］；其中在復摻改性劑時，能夠形成更為牢固的微觀交聯網狀結構［2］。纖維材料的摻入能夠對瀝青的附著能力、粘結性和韌性產生影響，主要歸因于其“加筋”作用［3］。

廣西作為全國甘蔗的主要產區，每年因生產蔗糖產生大量的蔗渣，而蔗渣中含有木質素和木質纖維［4］，因此經過處理后可以作為瀝青用纖維的選擇。甘蔗渣的廢物利用對于甘蔗的加工產業具有突出意義，能夠減少環境污染和擴大附加經濟價值。但當前將蔗渣纖維應用于瀝青的研究仍相對有限，其中應用蔗渣纖維參與瀝青復合改性進而改善粘彈性的研究較少。本文采用SBS、TPS高黏劑和蔗渣纖維作為復合改性材料，基于正交試驗對復合改性瀝青的制備進行性能優化，通過極差分析和灰色關聯法分析揭示改性材料對瀝青的60 ℃動力黏度、彈性恢復、軟化點和135 ℃旋轉黏度的影響機理。

1"原材料

1.1"瀝青

選用70號基質瀝青，具體性能指標見表1。

1.2"SBS

SBS改性劑具體指標見表2。

1.3"高黏劑

TPS高黏添加劑具體指標見表3。

1.4"蔗渣纖維

蔗渣纖維具體指標見下頁表4。

2"試驗方案

2.1"復合改性瀝青的制備

制備流程：將基質瀝青放入烘箱于140 ℃下加熱1 h至熔融狀；在175 ℃下加入SBS改性劑，攪拌10～20 min，4 000 r/min下剪切0.5 h；之后加入TPS高黏劑，攪拌10～20 min，4 000 r/min下剪切0.5 h；之后加入蔗渣纖維，1 600 r/min下攪拌0.5 h；最后在175 ℃下溶脹1 h充分發育，完成復合改性瀝青的制備。

2.2"正交試驗

本研究采用三因素四水平進行方案設計，其中高黏劑（A）摻量分別為6%，8%，10%和12%；SBS（B）摻量分別為4%，5%，6%，7%；蔗渣纖維（C）摻量分別為0.5%，0.7%，0.9%和1.1%。正交試驗因素水平見表5。

3"結果與討論

3.1"正交試驗結果

正交試驗結果見表6。對于高黏劑、SBS和蔗渣纖維對各指標的影響程度和趨勢，可借助極差分析進行評價。

3.2"各指標結果分析

3.2.1"60 ℃動力黏度

表7為60 ℃動力黏度極差分析結果，K1，K2，K3和K4分別表示表5中1～4水平的結果平均值，由極差判定各因素影響程度。由表7可知，關于60 ℃動力黏度指標，各因素的影響順序為：SBS（B）＞高黏劑（A）＞蔗渣纖維（C）。這是因為經過高溫剪切，SBS和TPS高黏劑能夠均勻分散，其分子在瀝青中形成連續相，分子鏈與瀝青分子充分相互交聯，所形成的空間網狀結構穩定牢固，使分子間的相對移動變得困難，從而提高瀝青黏度；而蔗渣纖維在摻入瀝青后，形成三維網狀結構，充分發揮其加筋作用，限制了瀝青的蠕動從而增大黏度。

圖1為60 ℃動力黏度隨各因素摻量的變化情況。顯然，當高黏劑摻量為8%、SBS摻量為5%、蔗渣纖維摻量為0.9%時，復合改性瀝青的60 ℃動力黏度達到最佳值，因此僅考慮60 ℃動力黏度指標時，各因素最佳組合為A2B2C3。

3.2.2"彈性恢復

表8為彈性恢復極差分析結果。由表8可知，關于彈性恢復指標，各因素的影響順序為：SBS（B）＞高黏劑（A）＞蔗渣纖維（C）。這是因為SBS和TPS高黏劑作為熱塑性彈性體，其分子能夠與瀝青交聯形成網狀結構，增大分子之間的作用力，從而提高瀝青的彈性。

圖2為彈性恢復隨各因素摻量的變化情況。當高黏劑摻量為6%、SBS摻量為6%、蔗渣纖維摻量為0.9%時，復合改性瀝青的彈性恢復達到最佳值，因此僅考慮彈性恢復指標時，各因素最佳組合為A1B3C3。

3.2.3"軟化點

表9為軟化點極差分析結果。由表9可知，關于軟化點指標，各因素的影響順序為：SBS（B）＞高黏劑（A）＞蔗渣纖維（C）。這是因為SBS和TPS高黏劑分散在瀝青中分子鏈與瀝青分子充分相互交聯，所形成的空間網狀結構穩定牢固，限制了分子間的相對移動，進而增強了瀝青整體，使其不易在高溫條件下產生變形。

圖3為軟化點隨各因素摻量的變化情況。當高黏劑摻量為8%、SBS摻量為6%、蔗渣纖維摻量為0.9%時，復合改性瀝青的軟化點達到最佳值，因此僅考慮軟化點指標時，各因素最佳組合為A2B3C3。

3.2.4"135 ℃旋轉黏度

表10為135℃旋轉黏度極差分析結果。由表10可知，關于135 ℃旋轉黏度指標，各因素的影響順序為：SBS（B）＞蔗渣纖維（C）＞高黏劑（A）。這是由于SBS和TPS高黏劑經過高溫剪切后其分子均勻分散在瀝青中形成連續相，交聯所形成的空間網狀結構穩定牢固，阻礙了高溫下分子間的相對移動，從而提高了瀝青的135 ℃旋轉黏度；而蔗渣纖維在瀝青中所形成三維加筋網狀結構，也能限制瀝青在高溫下的蠕動從而增大瀝青的135 ℃旋轉黏度。

圖4為135 ℃旋轉黏度隨各因素摻量的變化情況。當高黏劑摻量為6%、SBS摻量為6%、蔗渣纖維摻量為0.9%時，復合改性瀝青的135 ℃旋轉黏度達到最佳值，因此僅考慮135 ℃旋轉黏度指標時，各因素最佳組合為A1B3C3。

3.3"灰色關聯法分析

極差分析法雖然直觀明了，但不能確定試驗結果的變化是由因素引起還是誤差所致，因此本節采用灰色關聯法分析各因素對指標的影響程度次序。

目前許多學者應用灰色關聯法于有限數據的分析中［5-7］，通過無量綱化處理數據，使得數據更具規律性，進而分析得到自變量和因變量的關聯程度。

本節將60 ℃動力黏度、彈性恢復、軟化點和135 ℃旋轉黏度列為比較數列，高黏劑摻量、SBS摻量和蔗渣灰摻量列為參考數列，將參考數列和比較數列表示如下：

Y0=Y01，Y01，Y02…，Y0n

Yi=Yi1，Yi1，Yi2…，Yin（1）

i=1，2，3，…，h

Y0n=X0nX01（2）

Yin=XinXi1（3）

關聯系數的計算采用式（4）：

ξi（k）=miniminkY0k－Yik+ρmaximaxkY0k－YikY0k－Yik+ρmaximaxkY0k－Yik

（4）

式中：i——1，2，…，h；

k——1，2，…，n；

ρ——分辨系數，取值范圍為0～1，一般取0.5。

關聯度計算采用式（5）：

Ri=1n∑nk=1ξik，i=1，2，3，…，h（5）

經計算分析得到關聯度結果見表11。由表11可知，對于60 ℃動力黏度、彈性恢復和軟化點，影響程度次序為SBS＞高黏劑＞蔗渣纖維；對于135 ℃旋轉黏度，影響程度次序為SBS＞蔗渣纖維＞高黏劑。上述規律與極差分析結果相一致。綜合可知，對于四項指標，SBS影響程度最大，其次為高黏劑，最后為蔗渣纖維。

3.4"綜合優選和指標驗證

4"結語

（1）根據正交試驗結果，復合改性瀝青的最佳配比組合為：高黏劑摻量為6%、SBS摻量為5%、蔗渣纖維摻量為0.9%。

（2）通過極差分析和灰色關聯法分析，對于60 ℃動力黏度、彈性恢復和軟化點，因素影響程度次序為SBS＞高黏劑＞蔗渣纖維；對于135 ℃旋轉黏度，因素影響程度次序為SBS＞蔗渣纖維＞高黏劑。

（3）SBS為瀝青各指標的主要影響因素，其次分別為高黏劑和蔗渣纖維。SBS和TPS高黏劑分散在瀝青中形成連續相，所交聯形成的空間網狀結構穩定牢固，阻礙了分子間的相對移動，有效提高了瀝青的黏度和彈性；蔗渣纖維在瀝青中形成三維加筋網狀結構，也能限制瀝青的蠕動從而增大黏度和彈性。

（4）根據最優配合比組合進行制備的復合改性瀝青各項指標滿足標準要求，具有實際應用價值。

參考文獻：

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